Я, конечно, не считаю, что людей нужно делить на несколько видов. Совсем наоборот. Я думаю, что человеческая культура, благодаря которой мы отказались от случайного спаривания в пользу моделей, обусловленных языком, религией и другими отличиями, весьма любопытным образом повлияла в прошлом на нашу генетику. Несмотря на то, что с точки зрения генетики человек – очень однородный вид, по внешним признакам мы необычайно изменчивы. Эти внешние признаки незначительны, но заметны, и порождают дискриминацию.
Рассказ Дрозофилы
В 1894 году Уильям Бэтсон, один из отцов генетики, опубликовал книгу “Материалы по изучению прерывистой изменчивости в происхождении видов”. Он собрал впечатляющий, немного жутковатый список генетических отклонений и рассмотрел их с точки зрения эволюции. В списке были лошади с расщепленными копытами, антилопы с одним рогом – посередине лба, трехрукие люди и жук с пятью конечностями с одной стороны. Бэтсон ввел термин “гомеозис” для определенного типа генетических вариаций. Гомео- по-гречески “одинаковый”, а гомеозисная мутация (во времена Бэтсона термина “мутация” еще не было) – это такая мутация, в результате которой одна часть тела возникает на месте другой.
Бэтсон описал жука-пилильщика с ногой на месте антенны. Каждый случай такой заметной аномалии, указывал ученый, содержит подсказку, как животные развиваются в норме. Этот случай гомеозиса – нога вместо антенны – был позднее открыт у плодовых мушек (Drosophila). Эту мутацию назвали антеннопедией. Дрозофила (“любительница росы”) уже давно была любимым животным генетиков. И хотя не стоит путать эмбриологию с генетикой, следует отметить, что недавно дрозофила стала важной фигурой не только в генетике, но и в эмбриологии.
Эмбриональным развитием управляют гены, но происходить это может двумя разными способами. В “Рассказе Мыши” мы говорили о них как о чертеже и рецепте. Строитель строит дом согласно чертежу. Когда повар готовит пирог, он не кладет крошки и изюминки в определенные места, а определенным способом добавляет ингредиенты, просеивая их, перемешивая, взбивая или нагревая. В учебниках по биологии ДНК нередко описывается – ошибочно! – как чертеж. Развитие эмбриона не имеет ничего общего с чертежом. ДНК – не описание плана строения тела. Возможно, на какой-нибудь иной планете существа и развиваются согласно эмбриологическим “чертежам”, но мне трудно это представить. Это была бы совсем другая жизнь. На Земле эмбрионы развиваются по “рецепту”. Можно привести другую аналогию, которая в определенном смысле подходит даже лучше рецепта: эмбрионы похожи на оригами.
Аналогия с оригами уместнее для раннего эмбриологического развития, чем для позднего. Основной план строения тела закладывается путем серии складываний и инвагинаций слоев клеток. Позднейшие стадии развития большей частью представляют собой рост. Эмбрион “надувается”, как воздушный шар. Однако части эмбриона “надуваются” с разной скоростью и под строгим контролем. Это явление известно как аллометрия. В “Рассказе Дрозофилы” мы рассмотрим в основном раннюю, “оригамную” стадию развития, а не позднюю, инфляционную.
Клетки в эмбрионе не выкладываются по порядку, как кирпичи, согласно чертежу. Эмбриональное развитие определяется поведением клеток. Клетки притягивают или отталкивают другие клетки. Они изменяют форму различными способами. Они синтезируют вещества, которые могут распространяться, влиять на другие клетки, даже находящиеся на расстоянии. Иногда клетки выборочно погибают, освобождая место для других. Как термиты, кооперирующиеся для постройки термитника, клетки “знают”, что им делать, благодаря соседним клеткам, и градиентам концентрации химических веществ. Все клетки эмбриона содержат одни и те же гены. Поэтому различия в поведении клеток обусловливают не гены. Клетки различаются набором генов, определяющих различия в содержании белков – продуктов этих генов.
На самом раннем этапе эмбрионального развития клетка должна “узнать”, в каком положении она относительно двух осей эмбриона: передне-задней и дорсовентральной. “Узнать” – в первую очередь означает, что поведение клетки определяется ее позицией относительно химических градиентов по каждой из двух осей. Такие градиенты возникают еще в яйцеклетке и, значит, находятся под контролем материнских генов, а не ядерных генов оплодотворенного яйца. Например, в материнском генотипе дрозофилы существует ген bicoid, который экспрессируется в клетках-“кормильцах”, питающих яйца. Белок, который синтезирует ген bicoid, доставляется в яйцо, где он распределяется градиентно от одного конца к другому. Получившийся градиент концентрации этого белка (и других подобных веществ) определяет передне-заднюю ось эмбриона. Сходные градиенты, расположенные перпендикулярно, определяют дорсовентральную ось.
Эти маркирующие концентрации сохраняются в клетках, которые образуются при последующих делениях яйца. Первые несколько делений происходят без добавления нового материала и являются неполными: образуется много ядер, но они не полностью разделяются клеточными стенками. Такую многоядерную “клетку” называют синцитием. Позднее формируются перегородки, и эмбрион становится по-настоящему клеточным. В ходе этого процесса сохраняются исходные химические градиенты. Поэтому клеточные ядра в разных частях эмбриона окружены разными концентрациями ключевых веществ, соответствующих исходным градиентам осей яйцеклетки. В результате в разных клетках включаются разные гены (теперь речь, конечно, идет о генах не матери, а эмбриона). Так начинается дифференциация клеток, и тот же принцип определяет дальнейшую дифференциацию на более поздних стадиях развития. Исходные градиенты, заданные материнскими генами, уступают место новым, более сложным, которые создаются собственными генами эмбриона. Последующие расхождения линий эмбриональных клеток приводят к дальнейшим дифференциациям.
Тело членистоногих разделено на клетки, а если увеличить масштаб, то на сегменты. Они выстроены продольно от передней части головы до конца брюшка. У насекомых шесть головных сегментов: на втором расположены антенны, после чего следуют сегменты мандибул (челюстей) и других частей ротового аппарата. Сегменты головы взрослой особи находятся слишком близко друг к другу, чтобы было заметно их передне-заднее расположение. Но порядок головных сегментов можно увидеть у эмбриона. Три грудных сегмента (T1, T2 и T3) выстроены в линию, и каждый несет пару ног. На сегментах T2 и T3 обычно расположены крылья, но у дрозофил и других мух крылья только на T2. Вторая пара “крыльев” модифицирована в жужжальца – небольшие булавовидные органы на сегменте T3, которые играют роль миниатюрных гироскопов, нужных для управления движениями мухи. У некоторых ранних ископаемых насекомых было три пары крыльев, по одной на каждом грудном сегменте. За грудными сегментами располагаются более многочисленные брюшные сегменты (одиннадцать у некоторых насекомых, восемь у дрозофил, если мы учитываем гениталии на заднем конце тела). Клетки благодаря особым контролирующим генам, Hox-генам, “знают”, в каком они сегменте, и ведут себя соответственно.
Все было бы просто, если бы я мог сообщить вам, что в каждом сегменте есть по одному Hox-гену, который работает во всех клетках данного сегмента. Еще лучше, если бы Hox-гены были выстроены вдоль хромосомы в том же порядке, что и сегменты, в которых работают. В действительности все не настолько красиво, но довольно близко к этому. Hox-гены действительно выстроены в правильном порядке вдоль хромосомы, и это замечательный подарок природы, учитывая то, что нам известно о работе генов. Однако количество Hox-генов не соответствует числу сегментов: этих генов всего восемь. Кроме того, есть еще одно осложнение. Сегменты взрослого насекомого не совсем соответствуют парасегментам личинки. Не спрашивайте меня, почему (наверное, у Творца был выходной). Однако каждый сегмент взрослого насекомого состоит из задней половины одного личиночного парасегмента и передней половины следующего. (Я буду использовать здесь слово “сегмент” в значении “(пара)сегмент” личинки.) Теперь о том, как восемь Hox-генов обслуживают около семнадцати сегментов: отчасти это происходит благодаря химическим градиентам. Каждый Hox-ген экспрессируется преимущественно в одном сегменте, но также и в позади идущих сегментах, причем концентрация его снижается по мере движения назад. Сравнивая химические продукты нескольких вышерасположенных Hox-генов, клетка “узнает”, в каком она сегменте.
